Entstehung der Galaxien

KZO Wetzikon
Entstehung von Galaxien
Astronomiefreifach HS 2002/2003
Stefan Leuthold
Rückblick: Bisher besprochen.
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Urknall
Inflation
Baryonenerzeugung
Entstehung der ersten Atome
Entkopplung von Strahlung und Materie
Intergalaktische Materie
 Der nächste Schritt ist nun die Erklärung der
Entstehung von Galaxien – danach ist das
Universum «fertig gebaut».
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Folie Nr. 2
Dichtefluktuationen.
 Cosmic Background
Explorer COBE misst
Hintergrundstrahlung
1. Erste Näherung:
Hintergrundstrahlung
gleichförmig.
2. Intensitätsniveau 1/1000:
Wellenlängenverschiebung rot <=> blau
(Erdbewegung relativ
zum Hintergrund)
3. = 1. – 2.: Fluktuationen
(Amplitude ≈ 1/1000 %)
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Folie Nr. 3
Dichtefluktuationen |2
 Falls die von COBE gemessene Strahlung
wirklich aus der Zeit der Entkopplung von
Strahlung und Materie stammt, dann bedeuten
Schwankungen in der Strahlung auch
Schwankungen in der Dichte der Materie vor
der Entkopplung.
 Ist es möglich, dass aus diesen Dichteschwankungen := Dichtefluktuationen nach genügend
langer Zeit Galaxien entstehen?
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Folie Nr. 4
Evolution von Dichtefluktuationen
 Fluktuation mit erhöhter Dichte
=> Gravitationsüberschuss
=> stärkere Anziehung der umliegenden
Materie.
=> Abstände in durch Gravitation zusammengehaltenen Gebilden konstant bei
Ausdehnung des Raumes
=> Verdichtung der Fluktuation.
 Lokale Dichte > doppelte Durchschnittsdichte
=> lokale Gravitationsanziehung so stark, dass
keineAusdehnung, sondern Kontraktion in
diesem Gebiet stattfindet. (nächste Folie)
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Folie Nr. 5
Fluktuation: Haufen oder Galaxie?
Rechts: Dichte
genügend gross
zur Galaxienbildung durch
Gravitation.
Links: Dichte zu
gering zur
Galaxienbildung.
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Folie Nr. 6
Top-Down Szenario
Vor der Entkopplung von Strahlung
und Materie werden MaterieFluktuationen von der Strahlung
«ausgeschmiert».
Nachdem das Universum
durchsichtig geworden ist, haben
nur noch Fluktuationen mit einer
Masse von etwa 1015 MSonne
überlebt. Dies entspricht der
Masse eines Galaxienhaufens.
Dieser Haufen ist gewachsen
durch Gravitation und dann in
Galaxien zerfallen.
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Folie Nr. 7
Bottom-Up Szenario
Beobachtung: Es existieren viele
sehr alte Galaxien, aber junge
Galaxienhaufen => Haben sich
Galaxien vor Haufen gebildet?
Alternative zum Top-Down
Szenario ist Buttom-Up Szenario:
Galaxien klumpen sich zu
Galaxienhaufen zusammen.
Dazu brauche dunkle Materie =>
Fluktuationen werden von
Strahlung nicht verschmiert =>
Galaxienbildung. (Bild oben)
Astronomiefreifach - Entstehung von Galaxien.
Folie Nr. 8
Heisse vs. kalte dunkle Materie.
Im Top-Down Szenario kann man
die eingeschlossene Strahlung
zusammen mit den zur
Schliessung des Universums
nötigen Neutrinos «heisse dunkle
Materie» nennen.
Das Bottom-Up Szenario kann nur
funktionieren, wenn es kalte dunkle
Materie gibt (unsichtbar), welche
die Materie beherrscht, aber nicht
mit Strahlung wechselwirkt.
Die Graphik zeigt die Entwicklungsmöglichkeiten von Galaxien bei
heisser und kalter dunkler Materie.
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Folie Nr. 9
Ursprung der Fluktuationen
 Erinnerung: Quantenvakuum (Dirac)
 Die ständig entstehenden und zerfallenden
Teilchen im Quantenvakuum nach der
Unschärferelation entsprechen Fluktuationen.
 Die Skala dieser Fluktuationen wird durch die
Inflation aufgebläht (alles vor 10–35 s nach dem
Urknall).
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Folie Nr. 11
Morphologie der Galaxien
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Folie Nr. 12
Entstehung der Galaxien
 Gravitation H-Wolken => Drehende
kontrahierende Wolken.
 Lokal entsteht Struktur, danach einzelne Sterne.
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Folie Nr. 13
Astronomie ist schön.
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Folie Nr. 18